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Qu’est-ce que la luminance ?

samedi 2 février 2008

La luminance est tout simplement la sensation visuelle qu’on a de la lumière. De toutes les grandeurs photométriques qui caractérisent la lumière, la luminance est celle qui nous concerne le plus, car notre organe visuel ne sait « compter » qu’en luminance. Lorsque la vision est gênée dans une forte pénombre, ou lorsqu’un phare nous éblouit, c’est la luminance qui est en cause.

Il y a plusieurs facteurs qui influencent le niveau de luminance. En premier bien sûr, l’intensité lumineuse de la source de lumière. Ensuite lorsque la luminance est renvoyée par une surface éclairée, tous les paramètres géométriques qui pondèrent plus ou moins la luminance. Et enfin, la coloration de la source lumineuse influence aussi le niveau de luminance.

Fig. 1. La luminance n’est pas liée à la taille de la surface lumineuse et n’importe quel rayon unique et très fin transporte toute la luminance.

Définition de la luminance

La luminance est la grandeur de photométrie la plus connue du grand public, car c’est celle qui correspond le mieux à nos sensations visuelles. Elle exprime le niveau de luminosité qui est une donnée sensorielle sans tenir compte du débit de lumière qui est une donnée physique.

Lorsqu’on regarde une étoile, c’est à dire une source lumineuse quasi ponctuelle, la luminance et l’intensité lumineuse, c’est la même chose. Et d’une manière générale lorsque un spot est suffisamment éloigné pour qu’on néglige sa surface lumineuse, on peut dire que luminance égale intensité lumineuse.

Mais lorsqu’on regarde une source lumineuse ayant une certaine dimension comme par exemple l’écran que vous avez devant les yeux, si l’on veut que la luminance continue à exprimer l’intensité lumineuse d’un point lumineux unique, on doit diviser l’intensité lumineuse par la surface apparente.

On peut aussi donner à la luminance une correspondance en unité énergétique dans le domaine de la radiométrie. On parle alors de luminance énergétique (radiance en anglais).

Luminance versus Intensité lumineuse


Fig. 2. le projecteur de gauche est plus grand que le projecteur de droite. Le projecteur de gauche n’éblouit pas les yeux, mais éclaire correctement la pièce. Le projecteur de droite est éblouissant (en face) mais éclaire moins la pièce.

Une ampoule incandescente de 100 watts peut être regardée sans qu’on soit ébloui, car sa luminance se limite à 5 000 cd/m2 et la pièce est confortablement éclairée, car l’ampoule diffuse 90 candelas. Si on la remplace par une ampoule LED très directionnelle de 10 watts, l’intensité lumineuse est réduite à 40 candelas et la pièce devient sombre, par contre, on trouvera cette ampoule très brillante, si on est placé dans son axe, car sa luminance atteint 80 000 cd/m2. Intensité lumineuse et luminance sont proportionnelles, mais les proportions peuvent varier énormément selon la géométrie de l’éclairage.

La fonction de luminance

Fig. 3. Différentes sources lumineuses ayant toutes la même intensité lumineuse, mais ayant une coloration spectrale différente sont perçues avec une luminance différente. C’est dans la couleur verte (555 nanomètres exactement) que la luminance atteint son maximum.

Selon la définition que nous avons donné plus haut de la luminance, ele est proportionnelle au flux lumineux. La luminance sera donc tributaire comme le flux lumineux de la coloration de la source de lumière. C’est cette dépendance à la coloration de la lumière qui s’exprime dans la notion de fonction de luminance.

Historiquement, la luminance a d’abord été calculée à partir du lumen par la Commission Internationale de l’Eclairage en 1924. C’est seulement plus tard qu’on a simplifié son calcul en cd/m2. La luminance, comme toutes les autres grandeurs photométriques, est dépendante du facteur de visibilité dont la courbe (fig 3) nous montre que le spectre des lumières visibles disparaît d’une façon très progressive dans les rayonnements invisibles. Le facteur de visibilité noté V(λ) n’étant qu’une mesure relative d’un autre paramètre nommé efficacité lumineuse spectrale, équivaut également à une mesure relative de la luminance. C’est la fonction de luminance de la CIE notée Y(λ). Il faut simplement retenir que la luminance est fortement impactée par la coloration de la source lumineuse. La luminance est notée Y dans le vocabulaire de la C.I.E et en colorimétrie en général, en photométrie elle est notée L.

Malgré tous les efforts scientifiques pour décrire la luminance avec précision, elle reste une mesure approximative de notre perception visuelle de la lumière, car cette dernière est influencée par trop d’éléments physiologiques et psychologiques pour décrire avec précision la luminosité d’une lumière.

La luminance en colorimétrie

Fig. 4. fig.3. Alors que dans un système RVB classique, la composante verte apporte seulement les 3/4 de la luminance, dans le modèle colorimétrique XYZ de la CIE, la composante verte notée Y apporte 100 % de la luminance. Les deux autres composantes privées de luminance n’apportant que de la chrominance.

Lorsque la Commission Internationale de l’Eclairage propose en 1931 le premier système colorimétrique représentatif de la vision des couleurs, la luminance occupe une place particulière, car déjà à cette époque on voulait un système qui soit capable de séparer explicitement les informations de couleurs et les informations de luminance.

En colorimétrie la composante verte des systèmes RVB est souvent très proche de la composante luminosité car beaucoup plus lumineuse. L’idée géniale des concepteurs est alors de remplacer dans le modèle XYZ la composante verte par la fonction de luminance. Avec pour conséquence que les deux autres composantes ne transportent désormais aucune luminance quelque soit leur niveau d’intensité. Un lien pour développer cet aspect de la luminance dans le système XYZ de la CIE

Indice de luminance

Dans le modèle colorimétrique XYZ, on n’utilise pas les unités de luminance absolue en cd/m2, mais des pourcentages de la luminance maximum que peut générer le système. Au lieu de manipuler des valeurs peu exploitables comme 0,0796 cd/m2 pour le maximum, on préfère diviser la luminance en 100 parties égales et la luminance maximum du système s’écrit Y = 100.
C’est une mesure relative par rapport à l’intensité d’un blanc de référence. Dans cette échelle, la valeur maximum 100 % qui correspond à ce blanc de référence est appelée indice de luminance.

Les photographes font souvent la confusion entre indice de luminance et indice de lumination. Il est vrai que ce terme lumination a été très mal choisi et d’ailleurs le terme officiel qu’il faudrait employer est indice d’exposition. L’indice de lumination (IL) est une échelle logarithmique pour mesurer l’exposition lumineuse.

La luminance en vidéo

Par extension, le terme luminance (Y) décrit la partie du signal vidéo qui transporte les informations d’intensité lumineuse et les informations liées à la couleur le sont sur les deux autres canaux. C’est un abus de langage, car dans ce cas le terme correct est luma et se note (Y’).

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